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Piles à combustible
L'électricité du futur
Propre, silencieuse: la pile à combustible pourrait révolutionner l'éclairage et le chauffage domestiques
Pile à combustible CELLIA fabriqué par MTU
Les piles sont donc des générateurs électrochimiques d'électricité qui, à la différence des batteries, n'ont pas besoin d'étre rechargés. Le combustible est obtenu à partir d'autres carburants, le gaz naturel principalement, mais aussi l'essence, le méthanol, la biomasse ou le gazole.
L'avantage de la pile est de fournir un courant continu qui ne nécessite pas de combustion directe dans l'air. Elle n'émet donc pas de gaz polluant ; ne comportant pas de turbine, elle est parfaitement silencieuse et offre un rendement énergétique total de 80 % (pour 25 à 30 % avec des moteurs à gaz de puissance similaire). Enfin, en fournissant chaleur et électricité elle permet au partìculier de ne plus dépendre d'un réseau de distribution collective. Toute l'organìsation classique du transport d'énergie est ainsi remise en question. Si l'expérience est concluante, il ne devrait plus être indispensable dans l'avenir de multiplier les grosses unités de production (centrales nucléaires ou turbines à gaz), reliées aux consommateurs par des lignes à haute, moyenne et basse tension. La pile à combustible n'avait jusqu'à présent qu'un défaut: son coût. En effet, les catalyseurs sont en platine et les membranes sont extrémement fines et donc difficiles à produire. Voilà pourquoi cet équipement est longtemps resté confiné dans des secteurs de pointe, comme l'industrie spatiale. Dans la dernière période, la quantité de métal nécessaire a été divisée par cinq et une fibre synthétique (le Gore-Tex) est utilisée pour les membranes. On peut donc s'attendre à trouver prochainement sur le marché des piles à combustible adaptées à la maison individuelle.
Principe de fonctionnement
Une pile à combustible fonctionne sur le même principe qu'une batterie mais celle-ci est continuellement alimentée en combustible. La réaction électro-chimique qui est une combustion lente, dans laquelle l'oxygène et l'hydrogène se combinent pour former de l'eau, crée un courant électrique et de la chaleur. Elle est donc une centrale de cogénération. Il existe différents types de piles à combustible, mais elles sont toutes organisées autour d'un concept central qui consiste en deux électrodes: une électrode négative et une électrode positive. Elles sont séparées par une électrolyte solide ou liquide qui transporte les particules chargées élecriquement entre les deux électrodes. Un catalyseur, tel que le platine, est souvent utilisé pour accélérer les réactions au niveau des électrodes.
Animation: principe de la pile à combustible (Document CEA)
Principales techniques de piles à combustible
Description Électrolyte Ions mis en œuvre Gaz/liquide à l'anode Gaz à la cathode Puissance Température de service Rendement électrique Maturité Domaine AFC-pile à combustible alcaline (Alcaline Fuel Cell) Hydroxyde
de
potassiumOH– dihydrogène dioxygène 10 à 100 kW 60 °C
à
90 °CStack : 60-70 % Système : 62 % Commercialisé/ Développement Portable, transport DBFC – Pile à combustible à hydrure de bore direct (Direct Bore Fuel Cell) Membrane protonique Membrane anionique H+ OH– NaBH4 liquide dioxygène 250mW/cm² 20 °C
à
80 °C50%
mono
celluleDéveloppement portable <20W PEMFC – Pile à combustible à membrane d'échange de protons (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) Membrane polymère H+ dihydrogène dioxygène 0,1 à 500 kW 60 °C
à
100 °CStack : 50-70 % Système : 30–50 % Commercialisé/ Développement portable, transport, stationnaire DMFC – Pile à combustible à méthanol direct (Direct Methanol Fuel Cell) Membrane polymère H+ méthanol dioxygène mW à 100 kW 90 °C
à
120 °CStack : 20–30 % Commercialisé/ Développement transport, stationnaire DEFC – Pile à combustible à éthanol direct (Direct Ethanol Fuel Cell) 90 °C
à
120 °CDéveloppement FAFC – Pile à combustible à acide formique (Formic Acid Fuel Cell) 90 °C
à
120 °CDéveloppement PAFC – Pile à combustible à acide phosphorique (Phosphoric Acid Fuel Cell) Acide phosphorique H+ dihydrogène dioxygène jusqu'à 10 MW environ
200 °CStack :
55 %
Système :
40 %Développement transport, stationnaire MCFC – Pile à combustible à carbonate fondu (Molted Carbonate Fuel Cell) Carbonate de métaux alcalins CO32– dihydrogène, Méthane, Gaz de synthèse dioxygène jusqu'à 100 MW environ
650 °CStack :
55 %
Système :
47 %Développement/ Mise sur le marché stationnaire PCFC – Pile à combustible à céramique protonante (Proton Ceramic Fuel Cell) 700 °C Développement SOFC – Pile à combustible à oxyde solide (Solid Oxide Fuel Cell) Céramique O2– dihydrogène, Méthane, Gaz de synthèse dioxygène jusqu'à 100 MW 800 °C
à
1050 °CStack : 60–65 % Système : 55–60 % Développement stationnaire Les applications
Les piles à combustible sont développées et fabriquées actuellement pour une large gamme d'applications: les applications militaires sont attendues à devenir un large marché pour les piles à combustibles, ainsi que pour les dispositifs électroniques portables tels que les organiseurs. Le développement de piles à combustible pour l'industrie du transport est également un vaste marché, ainsi que celui des systèmes de puissance fixes destinés au marché résidentiel et des utilités.
